（机械工程专业论文）铝铜异种金属的冷压焊和摩擦焊及其接头性能的研究.pdf

摘要 本文研究了铝铜异种金属冷压焊、摩擦焊的焊接工艺。分析了铝和铜的焊接性能。 对冷压焊的焊接原理、冷压焊机的结构和冷压焊模具以及应用，进行了介绍。对冷压焊 主要工艺参数的选择进行了试验和分析。对摩擦焊的焊接原理、焊接特点、焊接过程以 及应用进行了介绍和分析。分别用冷压焊和摩擦焊完成了铝铜异种金属对接接头的焊接 试验。对冷压焊和摩擦焊的焊接接头的显微会相组织、接头的抗拉强度、抗弯强度、电 阻性能、耐温度变化性能及接头耐高温性能进行了试验和分析。通过这些试验和分析表 明：冷压焊、摩擦焊铝铜接头的抗拉强度、抗弯强度和导电性能良好。接头抗拉强度比 纯铝要高；接头电阻比纯铝要小。接头在温度1 5 5 1 2 以内，耐温度变化性能良好，经过 五次温度变化循环，焊缝接头未出现变脆、裂纹等异常情况，接头强度也未发生异常变 化；接头在4 0 0 c 以内，保温5 h 不会自行断裂。 从冷压焊铝铜接头金相显微组织图看出：焊缝组织非常致密，焊缝结合面两侧组织 均发生滑移和变形。这种滑移和变形是在焊接挤压过程中，金属被挤出形成飞边造成。 由于近缝区晶粒组织结构被压缩，变得很致密，因此这部分组织的强度和韧性均得到提 高。从摩擦焊铝铜接头金相显微组织图看出：焊缝结合面由不规则直线组成，呈折线凹 凸不平。这种形态有利于破坏接头中可能产生的脆性合金薄膜和氧化薄膜，促进铝、铜 原子的扩散；焊缝近缝组织的晶粒被扭转变形和细化，这种组织形态比铸造组织要致密 许多，因此它的强度和韧性比普通铸造组织要好。 从冷压焊、摩擦焊铝铜接头经不同温度处理后的金相显微组织图看出；随着加热温 度的提高，接头金属间化合物层不断加厚，造成接头韧性降低、脆性增加。对冷压焊、 摩擦焊接头抗拉强度与加热温度的关系进行了回归分析，得到了一元线性回归方程。 这些试验和分析的结果为铝铜异种金属焊接接头在电气产品中的使用，提供了依据。 关键词：冷压焊；摩擦焊；铝铜异种金属焊接；显微金相组织；接头性能 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e st h ep r o c e s so ft h ec o l dp r e s s u r ew e l d i n ga n dt h ef i c t i o nw e l d i n gf o r d i s s i m i l a ro fm e t a l so fa l u m i n i u ma n d c o p p e r t h ew e l d a b i l i t yo fa l u m i n i u ma n dc o p p e ra n d t h ew e l d i n gc h a r a c t e r i s t i co fc o l dp r e s s u r ew e l d i n ga n df i c t i o nw e l d i n gh a v e b e e na n a l y z e d t h ew e l d i n gp r i n c i p l e ，t h es t r u c t u r eo ft h em a c h i n e ，t h em o u l da n dt h ea p p l i c a t i o no f t h ec p w ： h a v eb e e ni n t r o d u c e d t h ea d j u s t m e n to fw e l d i n gp a r a m e t e r sb yc o l dp r e s s u r ew e l d i n gw a s t e s t e da n da n a l y z e d t h ew e l d i n gp r i n c i p l e ，t h ew e l d i n gc h a r a c t e r i s t i c ，t h ew e l d i n gp r o c e s sa n d t h ea p p l i c a t i o no f t h ef w , h a v eb e e ni n t r o d u c e da n da n a l y z e d t h ew e l d e d j o i n t so f d i s s i m i l a r m e t a l so fa l u m i n i u ma n dc o p p e r , h a v eb e e nw e l d e db yt h ec o l dp r e s s u r ew e l d i n ga n dt h e f i c t i o nw e l d i n g t h em i c r o s t r u c t u r e ，t e n s i l e s t r e n g t h ，b e n d i n gs t r e n g t h , t h e r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e ，a n dt h er e s i s t a n c ep e r f o r m a n c ea th i g ht e m p e r a t u r eo fw e l d e dj o i n t sh a v eb e e n t e s t e da n da n a l y z e d t h e s et e s t sa n da n a l y s i si n d i c a t et h a tt h et e n s i l es t r e n g t h ，t h eb e n d i n g s t r e n g t ha n dt h er e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo f t h ew e l d e d j o i n to f c p wa n df wa r ee x c e l l e n t ；t h e t e n s i l es t r e n g t ho f t h ew e l d e d j o i n ti sb e t t e rt h a np u r ea l u m i n i u m ；t h er e s i s t a n c eo f t h ew e l d e d j o i n ti s s m a l l e rt h a np u r ea l u m i n i u m ；b e l o w1 5 5 c ，t h er e s i s t a n c ep e r f o r m a n c ea th i 曲 t e m p e r a t u r eo fw e l d e dj o i n ti se x c e l l e n t , t h ew e l d e dj o i n t sd on o tb e c o m eb r i c k l e ，d on o t p r o d u c ec r a c k sa n dt h et e n s i l es t r e n g t hd on o to c c u ra b n o r m a lc h a n g e ；b e l o w4 0 0 * c , t h e w e l d e d j o i n t sd on o tb r e a ka f t e rh e a t i n gp r e s e r v a t i o n5 1 l f r o mt h em i c r o s t r u c t u r ef i go fc p w , i ts h o w st h a tt h ew e l d i n go r g a n i z a t i o ni sv e r y d e n s e ，a l lt h eo r g a n i z a t i o nb e s i d ew e l d i n gl i n eo c c u rs l i p p a g ea n dd i s t o r t i o n i nt h ew e l d i n g p r o c e s s t h es l i p p a g ea n dd i s t o r t i o no c c u rw h e nt h em e t a l sa r ee x t r u d e dt of o r mf l ys i d e t h e s t r e n g t ha n dt h et o u g h n e s so ft h eo r g a n i z a t i o ni m p r o v eb e c a u s et h em i c r o s t r u c t u r eh a sb e e n c o m p r e s s e da n dg o tm o r ed e n s e t h em i c r o s t r u c t u r ef i g so ff ww e l d e dj o i n tc a nb e e ns e e n t h a tt h ew e l d i n gl i n el i n k e df a c ei sc o m p o s e do fa n o m a l yb e e l i n e ，t h eb e e l i n ei ss h o w e df o l d a n da c c i d e n t e d t h i sf o r mi sf a v o ro fd e s t r o y i n gb r i t t l e n e s sa l l o yf i l ma n do x i d a t i o nf i l m w h i c hp e r h a p sw o u l dp r o d u c ei nt h ew e l d e dj o i n ta n dp r o m o t e st h ea t o m so fa l u m i n i a ma n d c o p p e rt od i f f u s e ；t h em i c r o s t r u c t u r en e a rw e l dl i n ei sd i s t o r t e da n dt h i n e d ，i ti sm o l ed e n s e t h a nc a s t i n go r g a n i z a t i o n , s oi t ss t r e n g t ha n dt o u g h n e s si sb e t t e rt h a nc o m m o nc a s t i n g o r g a n i z a t i o n f r o mt h em i c r o s t r u c t u r ef i go f a l u m i n u m - c o p p e rw e l d e dj o i n tw h i c hw e l d e db yc p w a n df wa n dh a db e e nh e a t e d t r e a t m e n ti nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e , i ts h o w st h a tt h eh i g h e rt h et e m p e r a t u r ei s ，t h et h i c k e rt h e l a y e ro fm e t a lc o m p o u n di s ，t h el a y e ro fm e t a lc o m p o u n dm a k e sw e l d i n gj o i n tt o u g h n e s s u d e c r e a s ea n db r i t t l e n e s si n c r e a s e t h er e l a t i o n s h i po f t h ew e l d i n g j o i n tt e n s i l es t r e n g t ha n dt h e h e a t i n gt e m p e r a t u r eh a v e b e e na n a l y z e dw i t hr e g r e s se q u a t i o n ，a n df o u n dt h er e g r e s s e q u a t i o n s t h e s et e s t sa n dt h ea n a l y s e sw i l lp r o v i d et h eb a s i sf o ru s i n gt h ew e l d e dj o i n to ft h e f i c t i o nw e l d i n ga n dt h ec o l dp r e s s u r ew e l d i n gi nt h ee l e c t r i cp r o d u c t s k e yw a r d s ：c o l dp r e s s u r ew e l d i n g ；f i c t i o nw e l d i n g ：d i s s i m i l a rm e t a l so fa l u m i n i u ma n d c o p p e rw e l d ；m i c r o s t r u c t u r e ；p e r f o r m a n c eo f t h ew e l d e d j o i n t i t l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：7 砂矿旷日期：协6 年1 2 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 囱同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：1 纱侬日期；伽6 12 - 么 指导教师签名：杉秘i 惚 日期：沙彩协2 第一章绪论 第一章绪论弟一旱三百 t 匕 1 1 本课题研究背景 1 1 1 问题提出 近几年来，电力系统装机容量不断发展，输变电设备需求量增长很快，输变电设备用 原材料出现供不应求的现象。变压器行业使用的主要原材料铜的价格一直上涨，为了寻 求企业更好发展途径，加强企业竞争力，变压器行业许多企业都在积极应对铜材料价格 上涨不利因素，开发一种补充产品铝导体的变压器、电抗器，满足一部分互补市场。 图l l 为铝导体干式变压器外形，其线圈由环氧树脂浇注而成。铝导体变压器的 基本结构是：线圈采用铝电磁线或铝箔，为了提高出线端子的强度，线圈出线采用铜排 或铜螺母。采用铝线圈及铜出线结构后，需要解决的主要工艺问题是铝和铜的焊接。 因此需要对铝铜异种金属的焊接工艺以及焊接接头的性能进行研究，选择性能较好 的铝铜接头，进行铝导体变压器、电抗器的开发和生产。 图1 1 铝导体干式变压器外形 f i g1 - it h ee a s tr e s i nt r a n s f o r m e rs h a p ew i t l la l u m i n i u mc o n d u c t o r 1 1 2 国内外情况 在六七十年代，我国也曾大力进行铝线变压器开发和应用，但是后来由于铝线变压 器经常出现故障，所以逐渐铝线变压器愈来愈少被使用。主要问题有： ( a ) 铝导线机械强度不足而导致匝间短路： ( b ) 出线端子在短路时铝导体强度不够，容易引起绕组变形。为了提高出线端子 华南理工大学硕士学位论文 的强度，用铜来代替铝出线。用铜代铝后，出现的主要问题是铝铜焊接接头的可靠性和 稳定性能有待提高。 近年来，我国变压器行业从德国引进环氧树脂浇注式变压器，该变压器线圈采用环 氧树脂浇注，线圈内部的铝导体强度得到保证。而铝铜焊接接头的可靠性和稳定性有待 提高问题仍需要解决。因此研究铝铜接头的工艺、性能和正确使用铝铜接头尤为重要。 目前，在国外一些发达国家及一些外资企业也生产铝线变压器，铝线变压器中的铝 铜接头多采用冷压套管的方法来实现，即铝线和铜线在连接时分别从两头，插入一个特 制的铜套管，秀用冷压钳将铜套管压扁，使铝线和铜线完成连接。见图1 2 。 图1 2 套管冷压焊 f i g1 - 2 t h ec p w o f c a n n u l a 该方法的好处是，连接比较可靠，不容易断开。它的缺点是，接头直径增大很多， 不利于变压器线圈的绕制。 在国外也有铝铜搭接冷压焊接头用于变压器线圈的报道。焊接材料是：l m m 铜箔 + 5 8 m m 铝板的搭接冷压焊。铜箔在上，铝板在下，同时压焊4 个焊点，将铜箔压入 铝板，完成冷压焊接。 1 2 铝铜焊接概述 铝铜接头广泛用于化工、电气和制冷工业中。能实现铝铜异种金属焊接的主要方法 有：熔化焊，固态焊接和钎焊。 2 第一章绪论 1 2 1 熔化焊 由于铝和铜的性能差异很大，用熔化焊方法使铝铜焊接在一起还存在一定困难。当 焊缝中铜含量在1 2 1 3 以下时，综合性能最好。所以在熔焊时应设法控制焊缝金属的 铝铜合金中铜含量不超过上述范围。为防止由于金属问化合物而影响接头的强度、塑性， 应尽量缩短液态铝与固态铜接触的时间【1 1 。 1 2 2 固态焊接 固态焊接技术是指：对焊件的焊接表面清理后，施加静态或动态压力，加热或不加 热，在母材不熔化的情况下使两材料发生固相结合的焊接法。摩擦焊、扩散焊、冷压焊、 爆炸焊、超声波焊等均属此类。这种方法，由于母材不熔化，所以和熔焊相比固态焊接 有自己独特的优点： ( a ) 更适合于异种材料的连接。液态不相溶的金属，金属和非金属( 陶瓷) 之间 的连接。 ( b ) 对接头性能影响较小。由于加热温度低或是根本不加热，所以接头热影响区 小或是根本无热影响区。对于那些热敏材料之间的连接，这一点尤为重要。 ( c ) 一般生产效率较高，节能。焊接不经历加热冷却过程，故效率较高( 扩散焊 例外) 。基于以上各种优点，固态焊接技术在航空、航天、核能、电子、电力、汽车制 造、机械加工、石油钻探、海洋开发等领域已经得到越来越广泛的应用 2 , 3 1 。 图l - 3 是厚o 0 4 m m 铝箔+ 厚0 2 r a m 铜箔的超声波搭接点焊。图的下方是单点铝箔+ 铜箔的超声波搭接点焊接头。图的上方是三点铝箔+ 铜箔的超声波搭接点焊接头，并经 过剪切拉伸破坏后的试样。 图1 3 厚0 0 4 m m 铝箔+ 厚0 2 n m a 铜箔的超声波搭接点焊 f i g1 - 3m eu ws p o tw e l d i n gf o ra l u m i n u mf o i l ( o 0 4 m m la n dc o p p e rf o i l ( o 2 m m ) 3 华南理t 大学硕七学位论文 图l - 4 是2 5 m m 铜板+ 3 m m 铝板爆炸焊接而成的铝铜过渡垫板。 图1 4 爆炸焊焊接而成的铝铜过渡垫板 f i g1 - 4t h ea l u m i n u m - c o p p e r t r a n s i t i o nb o a r dw e l d e db yb w 1 2 3 钎焊 钎接时，焊件依靠熔化的钎料连接起来。钎料是钎焊时的填充材料。因此，钎焊接 头的质量在很大程度上取决于钎料。钎料应满足以下要求： ( a ) 有合适熔点。过高使母材晶粒长大，焊件易过烧。 ( b ) 有良好润湿性和铺展性，能充分填满钎缝问隙。 ( c ) 能与母材发生溶解，扩散作用，形成牢固的结合。 ( d ) 有稳定而均匀的成分，不产生严重偏析、蒸发和有毒蒸气。 ( e ) 钎焊接头满足技术要求。如力学、物理性能等。钎剂的主要作用是去除焊件 和液态钎料表面的氧化膜，保护表面在加热过程中不被继续氧化，改善钎料对钎焊金属 表面的润湿性，钎剂残渣对焊件和钎料的腐蚀性要小【4 】。 铝铜直接钎焊困难较大，接头质量不好。铝铜电极电位相差较大，易引起腐蚀：在 钎缝中有脆性化合物生成使接头强度降低。另外，冷却时钎缝里有大量c u a l 2 沿晶界析 出，c u a l 2 的电极电位比舢的电极电位高，易产生晶间腐蚀。为去除致密的铝氧化膜， 需使用腐蚀性大的钎剂，钎剂的残渣吸潮后形成腐蚀剂，对接头有强烈的腐蚀作用1 5 】。 图1 5 是美国产z n 一舢钎料焊接的铝铜过渡接头。该钎料熔点温度4 2 0 4 8 0 。钎剂作为药芯由钎料包在中间。用锌基钎料钎焊铝时，由于锌与铝能互溶，所以随 着钎料含锌量的增加钎料和铝之闻的接合加强，界面处的电极电位得到提高，接头抗腐 蚀性提高。 4 第一章绪论 图中左侧是焊接试样。右侧是经过拉伸试验，从铝侧断裂的焊接试样。 图l 一5z n a 1 钎料焊接的铝铜过渡接头 f i g1 - 5t h ea l u m i n u m - c o p p e rw e l d e d j o i n tw i t hs o l d e r 1 3 冷压焊 1 3 1 冷压焊焊接原理 冷压焊是在室温下，铝铜件在强大的压力作用下，焊接面产生塑性变形，随塑性变 形的程度的增加，接触面上氧化膜被破坏，新的金属面互相接触，原子间距也逐渐接近， 被破坏的氧化膜随塑性金属流动于接触面外，使工件金属原子问达到互相吸引的距离 3 a ( x 1 0 。o m ) 5a ( x 1 0 d o m ) ，使原子间扩散而形成固相结合，形成接头。图1 - 6 为 对接冷压焊原理简图。 因此，可以看出，铝与铜进行冷压焊必须具备三个条件： ( a ) 对焊件加一定压力。这是使焊件金属产生塑性变形和原子扩散的必要条件。 ( b ) 焊件加压部位必须产生足够的塑性变形量，才能使原子达到扩散而结合的目 的。 ( c ) 被焊的材料必须是塑性良好的材料，才有可能进行冷压焊。 实践表明，铝与铜的冷压焊接头性能良好而稳定嘲。 冷压焊过程中，由于变形硬化作用，使得冷压焊接头的强度一般不低于母材。经过 冷压形成的焊接头，其结合界面呈现复杂的峰谷和犬牙交错的空间形貌，结合界面面积 比简单几何截面面积大，所以冷压焊接头的导电性能良好。 5 华南理工大学硕士学位论文 123456 ( a ) ( b ) ( 。) 顶旁争前( b ) 顶锻后 1 一一铝电磁绒2 ，3 ，4 - ，6 一一模具 5 一一铜电磁缄 图1 - 6 对接冷压焊原理图 f i g1 - 6t h ep r i n c i p l eo f b u t tw e l db yc p w 1 3 2 冷压焊焊接特点 冷压焊的主要特点有： ( a ) 冷压焊不需要加热，可节省能源； ( b ) 冷压焊不出现熔化金属，不出现脆化金属层和低熔点共晶，不产生裂纹； ( c ) 冷压焊操作程序简单，而且易于实现机械化和自动化，生产率高m 。 常用的冷压焊方法有搭接和对接两种。 1 4 冷压焊界面结合机理及有关假说 国内外关于冷压焊界面结合机理研究很多国内早期的主要观点是无扩散理论，认 为冷压焊中不存在的扩散，两材料的结合属晶问结合。国外关于冷压焊结合机理有不少假 说，具有代表性的有以下几种： ( 1 ) 薄膜学说 薄膜理论认为，焊接性并不取决于材料本身的性能而是决定于零件被焊表面的状态。 只要去掉待焊金属表面的油膜和氧化膜，在协调一致的塑性变形过程中，使被焊零件相互 接近到原子间力的作用范围内就形成焊接接头。薄膜理论排除了形成原子的过程中热 动力学因素，也没有考虑被焊材料的性能、组织缺陷的影响和塑性变形时原子的能量状态 等因素。 6 第一章绪论 ( 2 ) 再结晶理论 根据金属在变形量很大时，再结晶温度会显著下降的事实提出了再结晶理论，认为冷 压焊时形成接头的主要过程是接触区的再结晶过程也就是，金属的变形和变形所引起 的冷作硬化，在高温的作用下，会使被焊零件界面边缘的晶格原子重新排列，形成同属于两 个被焊件的共同晶粒。这样就使相互接触的金属焊接在一起。但是，必须指出，再结晶理 论首先要求在连结区形成共同的晶粒，其次要求在接触区两边形成晶粒方向一致的晶界。 此外，还要求在界面上的晶粒要具有金属内部晶粒的一切特征。 ( 3 ) 错位学说 错位学说认为两个相互接触的金属产生协调一致的塑性变形时，位错迁移到金属的 接触表面，从而使金属的氧化膜破除，并产生高度只有一个原子间隔距离的小台阶，把 金属接触表面上出现的位错看做是塑性变形阻力的减小，因而有利于金属的连接。但从 另一角度来看，金属表面出现位错，必定会增加表面上的不平度，这就造成接触表面比 内部金属大的多的塑性变形。由此可知，结合过程是接触区金属塑性流动的结果。 ( 4 ) 扩散理论 扩散理论认为在接头区域中存在着一层很薄的互扩散区，这一薄层的互扩散区保证 了优质的焊接接头。 ( 5 ) 能量学说 能量学说认为引起金属间相互结合的条件，不是金属原子的扩散，而是金属原子所含 有的能量。当被焊金属材料相互接触时，即使它们的原子已经接近到晶格参数的数量级， 只要原子所含有的能量还没有达到某一水平( 这一能量水平可以称为该金属结合的最低 能量) ，就不足以使他们之间产生结合。只有当接触处金属原子的能量提高到某一水平， 表面之间才会形成金属键，它们之间的界面开始消失而连接在一起。 上述各种理论由于是从不同形式压焊试验中总结出来的理论，对局部的观察都具有 合理的成分，但是，都不能单独的用它来解释众多的压焊机理，因此有必要进行更深入 探讨。近年来，国内研究人员。根据二元合金状态图，分成4 类来探讨冷压焊界面结合 机理：无限互溶的c u - - n i 类，有限互溶的a g - - c u 类，生成化合物的c u - - a l 类，不互 溶的a g n i 类。并采取一定的测试手段，观察界面形貌，确定界面元素组成和晶体结 构，判断界面层有无扩散和冶金现象产生。通过观察、分析、判断认为：不同组配的金 属其冷压焊界面结合机理是不同的，对于无限互溶的c u n i 类，有限互溶的a g - - c u 7 华南理_ 【大学硕十学位论文 类与生成化合物的c u a l 类在冷压焊过程中界面处存在浅层扩散，实现冶金结合。而 液固态几乎不互溶的a g n i 类，即使在冷压焊过程中界面产生固溶体。但这种固溶体 极不稳定。随着过饱和固溶相的析出，必然伴随着接头的断裂。因此真正使这类组合的 金属牢固结合在一起的是界面处的机械结合力和金属键合力，而不是冶金结合嗍。 1 5 摩擦焊 1 5 1 摩擦焊焊接原理 将两个圆形截面工件进行对接焊时，首先使一个工件以中心线为轴高速旋转，然后 将另一个工件向旋转工件施加轴向压力f l ，使接触面开始摩擦加热，达到给定的摩擦时 间或规定的摩擦变形量时，立即停止工件转动，同时施加更大的轴向压力f 2 ，进行顶锻 完成焊接。摩擦焊焊接原理图，见图1 7 。 在旋转摩擦加热过程中，由于两个结合面的相对旋转速度很高，同时又处于较大的 轴向压力的作用下，致使凸凹不平互相压入的表面迅速产生塑性变形和机械挖掘、咬接 现象。通过塑性变形，破坏了结合面的氧化膜和金属晶粒，并形成了一个高速摩擦塑性 变形层，这个金属质点相对滑动速度很高的变形层，就是将机械功变成热能的发热层， 它也就是摩擦焊的热源。高温塑性状态的金属颗粒互相焊合后，又被扭力矩剪断，并彼 此向对方迁移。达到良好接触状态的塑性金属封闭了结合面，使它与空气隔开。在整个 摩擦加热过程中，邻接相对摩擦的结合面处始终存在着一个程度不同的高速摩擦塑性变 形层。摩擦发热、金属的变形和扩散现象都集中在变形层中。高速摩擦塑性变形层金属 在摩擦扭矩和轴向压力作用下从结合面挤出，形成飞边。剩余的变形区金属构成焊缝金 属。在停车制动和顶锻焊接过程中，变形区和高温区金属得到锻造。金属质点互相嵌入 和进一步的扩散，建立了牢固的金属键，并形成了质量良好的焊接接头 9 1 。 异种金属焊接时，高速摩擦塑性变形层主要产生在高温强度较低的材料一方。异种 金属因原子扩散而可能产生的固溶体、共晶体或金属间化合物及厚度都会影响接头的焊 接质量。 1 5 2 摩擦焊接过程 摩擦焊接过程，是焊接表面金属在一定的空间和时间内，金属状态和性能发生变化 的过程，一般分为6 个阶段，它反映了摩擦焊接过程中最本质的现象，即发热、变形和 扩散。 8 第一章绪论 e 三三三三三三 一- 三三三二三三三卜 ( a ) 一较快进出 f ，e 三三三三三三工三三三三三三 f ， ( b ) 慢速进 f 三三三三三 三三三三三三卜一f ， ( c ) 慢递进 f ：爿三三三三三i 三三三三三三 一f ： ( d ) ( o )焊接准备( b ) 摩拇加热开始 f c ) 摩榨加执终了f d l 顶锻犀接 图1 7 摩擦焊焊接原理图 f i g1 - 7t h ep r i n c i p l eo f f w ( a ) 初始摩擦阶段( t 1 ) ：从两工件开始接触的a 点起，到摩擦加热功率显著增大 的b 点止。由于摩擦压力逐渐增大和工件表面不平，以及存在氧化膜、油、灰尘和吸附 着一些气体，所以初始摩擦系数很小。当摩擦加热功率慢慢增大时，摩擦变形量也随之 慢慢增加。 ( b ) 不稳定摩擦阶段( t 2 ) ：从摩擦加热功率显著增大的b 点起，越过功率峰值c 点，到功率稳定值d 点止。在不稳定摩擦阶段中，由于摩擦压力较初始摩擦阶段增大， 摩擦破坏了焊接金属表面，使纯净金属接触；当摩擦焊接表面温度升高时，金属强度下 降不大，而塑性和韧性却有较大提高；同时，摩擦焊接表面的真实接触面积亦随之增大。 这些因素都促使摩擦系数增大，摩擦加热功率迅速提高。当摩擦焊接表面的温度继续升 高时，金属的塑性增高，而强度却随之下降，摩擦加热功率也迅速降低到稳定值d 点。 ( c ) 稳定摩擦阶段( t 3 ) ：从摩擦加热功率稳定值d 点起，到接头形成最佳温度分 布的e 点为止。在稳定摩擦阶段中，各焊接工艺参数的变化趋于稳定。只有摩擦变形量 不断增大，飞边增大，接头的热影响区增宽。 ( d ) 停车阶段( t 4 ) ：从主轴和工件一起开始停车减速的e 点起，到主轴停止转动 的g 点止。由于轴向压力p 的增加，摩擦扭矩增大，接头中的高温金属被大量挤出，变 形量亦随之增大。 ( e ) 纯顶锻阶段( t 5 ) ：从主轴停止转动的g 点起，到顶锻压力上升到最大值的h 点止。足够大的顶锻压力、顶锻速度和顶锻变形量是保证焊接质量的关键。 9 华南理t 大学硕士学付论文 ( f ) 顶锻维持阶段( t 6 ) ：从顶锻压力的顶点h 点起，到接头温度冷却到规定值以 下的i 点为止。 以上6 个焊接阶段，见摩擦焊接过程图，图1 - 8 。 n , k w 龇i t i mp , m p on , r m , n 图1 8 摩擦焊接过程图 f i g1 - 8t h ec h a r to f w e l d i n gp r o c e s so ff w 1 5 3 摩擦焊热源的特点 摩擦焊的摩擦热源就是金属摩擦焊接表面上的高速摩擦塑性变形层。它把摩擦的机 械功变成焊接热源。当工件直径一定时，摩擦加热功率密度的大小，及其随时问的变化 关系，直接影响接头的加热过程，焊接生产率和焊接质量。为了计算摩擦加热功率，首 先在摩擦表面上取一圆环，设圆环的半径为，圆环的宽度为毋。 圆环的面积：d s = 2 ，r 砌 作用在圆环上的摩擦力；d f = 肼胁 以0 点为圆心的摩擦力矩：d t = r d f = p z r d s = 2 烈矿2 d r 圆环上的摩擦加热功率：d b = k l ，l d r = k 2 p m r 2 d r 式中：f 一摩擦表面上总的摩擦力，n 。 r 一摩擦表面上总的摩擦扭矩，n m 。p 一总的摩擦加热功率，k w 。 p 摩擦压力，n ，m 2 。 撑一工件转速，r r a i n 。 一摩擦因数。 r 一圆环半径，l n 。 1 0 第一章绪论 o d 图1 - 9 摩擦焊加热功率沿焊接表面半径的分布 f i g1 - 9 t h es t a t ea l o n gs u r f a c er a d i a lo f h e a t i n gu pp o w e r f o rf w k l ，k 2 一常数 摩擦加热功率沿摩擦焊接表面半径r 的分布见图1 - 9 。从图中看出摩擦加热功率在 圆心为零，在外圆最大。 1 5 4 摩擦焊接的主要特点 ( a ) 接头质量高。摩擦焊属固态焊接，焊接结合面不发生熔化，融合区组织为锻 造组织，不产生与凝固相关的焊接缺陷；压力和扭矩的力学冶金效应使得晶粒细化，组 织致密； ( b ) 适合异种金属焊接； ( c ) 节能节电，与闪光焊机相比，电能节省5 1 0 倍； ( d ) 摩擦焊接适合圆形截面工件，对非圆形截面工件焊接较困难i 1 0 1 。 1 6 本课题需要解决的问题及主要研究内容 铝和铜在电气工程中是重要原材料，在变压器、电抗起、互感器、开关柜等电气产 品里，铝和铜被用来制造线圈、出线端子、和电气元件间的连接件等。 变压器、电抗器线圈在高电压下工作，承载大电流、温升、电磁振动和短路电动 力，所以要求铝铜焊接接头牢固可靠、导电性能良好。因此研究铝铜焊接工艺、接头性 能，保证铝铜焊接接头的正确使用，满足电气产品的使用需要，是本课题需要解决的问 题。 华南理1 = 大学硕十学位论文 本课题研究了铝铜异种金属冷压焊、摩擦焊的焊接工艺。对铝和铜的焊接性能，及 冷压焊和摩擦焊的焊接特点进行了分析。分别用冷压焊和摩擦焊进行了铝铜异种金属对 接接头的焊接试验，并对冷压焊的焊接工艺参数的选择进行了试验和分析。对冷压焊和 摩擦焊焊接接头的显微金相组织、接头的抗拉强度、抗弯强度、电阻性能、耐温度变化 性能及接头耐高温性能进行了试验、分析和比较。这些试验、分析和比较的结果为铝铜 异种金属焊接接头在电气产品中的正确使用，提供依据。 1 7 本章小结 本章对铝铜异种金属的焊接方法进行了概述，介绍了铝铜异种金属的冷压焊、摩擦 焊的原理、特点。 本章对国内外关于冷压焊界面结合机理和有关假说做了介绍。近年来，国内研究人 员，通过观察、分析、判断认为：不同组配的金属其冷压焊界面结合机理是不同的，对 于无限互溶的c u - - n i 类，有限互溶的a g - - c u 类与生成化合物的c u - - a l 类在冷压焊过 程中界面处存在浅层扩散，实现冶金结合。而液固态几乎不互溶的a g n i 类，即使在 冷压焊过程中界面产生固溶体，但这种固溶体极不稳定，随着过饱和固溶相的析出，必 然伴随着接头的断裂。因此真正使这类组合的金属牢固结合在一起的是界面处的机械结 合力和金属键合力，而不是冶金结合。 本章介绍了国内外铝线变压器及铝铜过渡接头的生产使用情况，对本课题研究背 景、来源、主要的研究内容及其意义做了说明。 1 2 第二章试验材料、设备及工艺 第二章试验材料、设备及工艺 2 1 铝和铜的物理性能及化学成分 工业纯铝很轻，它的密度为2 7 r g c m 3 ，大约是铜的三分之一。铝的熔点比较低，为 6 6 0 c 。它比铜的熔点( 1 0 8 3 ) 低得很多。铝的强度并不高，但它的塑性优良。 铝极易被氧化，形成a 1 2 0 3 氧化膜。但此氧化膜很耐腐蚀，尤其是抗大气腐蚀和抗 海水腐蚀性能优良。 铝的导电性和导热性能均较好，仅次于银、铜和金而居第四位。在室温时，铝的导 电率为铜的6 3 2 。如果按单位重量材料的导电率来计算，铝的导电能力是铜的2 0 0 。 因此，铝在电器，输配电业中获得广泛应用。 工业纯铜的性能和铝相比相差较大。铜的熔点为1 0 8 3 。c 。密度为8 9 2 ：g c m 3 ，比碳 钢重1 5 。铜的导电性和导热性都非常好，其导电性仅次于银，而居第二位，是电力工 业中不可缺少的工程材料。 表2 1 试验材料纯铝l 2 、纯铜t 2 的物理性能 t a b 2 1t h ep h y s i c sp e r f o r m a n c eo f t e s m b l em a t e d f l sa l u m i n i u mka n dc o p p e rt 2 金 熔点 沸点密度热导率 属 ( )( )( 咖m 3 )w ，( m k ) k 6 5 8 2 72 1 7 7 t 2 1 0 8 32 5 7 88 93 8 5 2 金 线胀系数( x l o 1 ) 比热( o l o o ) 电阻率 弹性模量( x 1 0 。3 m p a ) 属 j ，( k g ) ( 2 0 ) ( x l 矿q m ) l 22 49 2 1 16 1 6 8 t 2 1 6 41 + 6 91 0 8 5 0 表2 2 铝材料化学成分 t a b 2 - 2t h ec h e m i s t r ye l e m e n t so fa l u m i n u m 牌号 c uf es if e + s i 其它杂质 a l l 2 o 0 lo 2 5 o 2 0 0 3 60 0 3 9 9 6 1 3 华南理工大学硕七学付论文 表2 - 3 铜材料化学成分 t a b 2 3t h ec h e m i s t r ye l e m e n t so f c o p p e r 牌号 c u + a 窑 b i ss b sa s sf e 5n 逛 t 2 9 9 9 0o 0 0 l0 0 0 20 0 0 20 0 0 50 0 0 5 牌号 p b s s n ss sz n so 杂质总合! t 2 o 0 0 50 0 0 2 0 0 0 50 0 0 5o 0 60 1 铜除有一定强度外，也具有优良的塑性，可以完成各种冷、热轧变形加工。铜还具 有良好耐腐蚀性，在表面形成的氧化物，比较稳定。在水、水蒸汽中以及大气、海水中 均具有良好的耐蚀性。试验材料纯铝l 2 、纯铜t 2 的物理性能见表2 1 。化学成分见表 2 - 2 ，表2 3 t 1 ”。 2 2 铝和铜焊接性能分析 ( 1 ) 易氧化 铝和铜易于氧化。铝、铜都是与氧具有很大亲和力的元素。在无任何保护的条件下， 铝、铜都将迅速氧化。在焊接加热过程中，它们的氧化程度将更加激烈。 2 c u + 0 2 2 c u o 4 c u + 2 0 2 + 2 c u 2 0 4 a 1 + 3 0 2 2 a h 0 2 上述氧化之后，生成的氧化物，其熔点都很高，阻碍了铝与铜的接合，给焊接带来 困难。 ( 2 ) 熔点相差大 工业纯铝的熔点为6 6 0 c 。 1 - 业纯铜的熔点为1 0 8 3 c ，具有良好的导电性和导热性。 由于铝和铜的熔点相差很大( 4 2 3 ) ，在焊接时很难同时熔解。铜和铝在液态无限互溶， 而在固态下互溶有限。 ( 3 ) 易产生裂纹 在焊接时生成c u a l 2 共晶物( 5 4 8 c ) 或脆性化合物c u 2 0 分布于晶界，使焊缝变脆， 再加上铜的膨胀系数大，容易产生裂纹。在铝铜摩擦焊时，要避免使焊接温度高于共晶 反应温度，在焊缝处产生c u a l 2 脆性共晶物，一般将焊接温度控制在4 6 0 4 8 0 c 之间， 进行低温摩擦焊。4 6 0 4 8 0 是铝铜最佳低温摩擦焊温度范围“2 1 。 1 4 第二章试验材料、设备及t 艺 ( 4 ) 易形成气孔 在高温时，铝和铜的液体能够溶解和吸收大量的气体，如氢，冷却时，氢在铝和铜 液体的溶解度迅速下降，来不急溢出的氢在焊缝中形成气孔。 ( 5 ) 接头的腐蚀和老化 铝铜焊接的另一主要问题是接头的腐蚀和老化，腐蚀由铝铜之间的1 6 4 4 伏电极电 位差引起。当接头长期工作于高温环境受到机械振动作用，还会导致铜铝原子扩散形成 金属间化合物层并不断加厚，使接头的冲击韧性下降，电阻升高。 从以上铝与铜的焊接性分析中看出，采用熔化焊的方法焊接铝和铜时，需要克服铝 和铜的熔点相差大、易氧化、易产生裂纹和气孔等难题，才能获得高质量的焊缝接头。 而采用固态焊接的冷压焊和摩擦焊接时，由于铝和铜的结合面不发生熔化，所以将不产 生于熔化和凝固相关的焊接缺陷。因此相对来说，冷压焊和摩擦焊容易获得质量较高的 焊缝接头。 2 3 冷压焊设备及模具简介 ( 1 ) 国产冷压焊机型号及主要技术规范 l m 3 型冷压焊机。见图2 1 图2 1l h j 3 型冷压焊机 f i g2 - lt h et y p eo f l m 3c p w w e l dm a c h i n e 焊机主要技术规范： 冷压焊线材范围：铝线和铜线由1 0 0 m m d p 4 7 5 m m 。 焊机主要机器结构： 进料门操作旋钮：用它打开进料门，使待焊铝铜电磁线进入冷压焊模具。 1 5 华南理丁大学硕十学位论文 作。 盖板：使v 形块固定并使焊接模具装置定好位。 导向装置：使待焊铝电磁线，在进行顶锻时，只能作单方向的运动。 操作手柄：通过凸轮，把操作者的作用力传递到滑动v 形块上，使焊接模具动 ( 2 ) 冷压焊模具 冷压焊是通过模具对焊接件加压，使待焊部位产生塑性变形完成的。因此，冷压焊 模具的合理设计和加工是保证冷压焊接头质量的关键。在对接冷压焊过程中，需要施加